瓦斯爆炸隧道內(nèi)沖擊波特征及襯砌損傷機(jī)制數(shù)值研究

李志鵬， 韓龍強(qiáng)， 崔柔杰， 陳 文

(1. 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083;2. 玉溪市晉紅高速公路投資發(fā)展有限公司， 云南 玉溪 653100)

0 引言

隧道工程對完善交通網(wǎng)絡(luò)有著重要作用。無論在建設(shè)階段還是運(yùn)營階段，隧道的安全性始終為第一要素，而隧道內(nèi)發(fā)生爆炸事故無疑是嚴(yán)重的隧道安全事故。例如，當(dāng)隧道穿越富含瓦斯地層時(shí)，施工中稍有不慎便會引發(fā)瓦斯爆炸，不僅會造成重大人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失，還會使隧道結(jié)構(gòu)受損，給隧道爆炸致災(zāi)后的重建修復(fù)工作造成巨大困難。瓦斯爆炸屬于氣體爆炸，氣體爆炸在事故傷害階段的破壞形式為沖擊波超壓、熱輻射以及拋射碎片，其中重點(diǎn)是超壓沖擊波，不僅造成人員傷亡，更導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損。因此，研究隧道內(nèi)爆炸沖擊波的強(qiáng)度及沖擊波流場特征對隧道或大型地下結(jié)構(gòu)的影響具有重要意義。

關(guān)于隧道內(nèi)爆炸的問題，楊科之等[1]通過總結(jié)試驗(yàn)結(jié)果并擬合計(jì)算結(jié)果得到直邊墻拱形隧道內(nèi)爆炸沖擊波的傳播規(guī)律； 龐偉賓等[2]通過試驗(yàn)研究得到爆點(diǎn)在不同位置爆炸作用下適用于直邊墻拱形隧道內(nèi)爆炸沖擊波到時(shí)、速度預(yù)測公式； 吳世永等[3]基于自由場爆炸沖擊波壓強(qiáng)預(yù)測公式，通過對直邊墻拱形隧道內(nèi)沖擊波衰減規(guī)律修正，得到隧道內(nèi)爆炸沖擊波壓強(qiáng)預(yù)測公式； 田志敏等[4]通過有限元計(jì)算，分析了炸藥形狀、爆點(diǎn)位置對圓形隧道內(nèi)爆炸荷載分布的影響，并給出了襯砌結(jié)構(gòu)上反射超壓峰值的經(jīng)驗(yàn)公式。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及計(jì)算動力學(xué)的快速發(fā)展，已有學(xué)者通過大型顯式動力學(xué)軟件研究隧道內(nèi)的爆炸問題。陳常宇等[5]、張小勇等[6]采用AUTODYN軟件研究了隧道內(nèi)爆炸作用下襯砌結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)及損傷機(jī)制； 孔德森等[7]采用顯式動力學(xué)軟件LS-DYNA研究了地鐵隧道在10 kgTNT爆炸作用下的沖擊反應(yīng)。以上學(xué)者的研究成果對隧道內(nèi)爆炸的研究方法、材料模型選擇均具有積極的指導(dǎo)作用，但是否適用于實(shí)際工程未曾可知。且當(dāng)前對公路隧道內(nèi)劇烈爆炸問題鮮有研究。

本文使用顯式動力學(xué)軟件LS-DYNA對洛帶古鎮(zhèn)隧道內(nèi)瓦斯爆炸問題進(jìn)行數(shù)值研究。在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，基于等效爆能理論對瓦斯爆炸量化研究，建立與隧道幾何結(jié)構(gòu)一致的流固耦合數(shù)值模型，采用RHT模擬襯砌并對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行修正，對隧道內(nèi)爆炸沖擊波流場進(jìn)行研究并與經(jīng)驗(yàn)解析式對比，同時(shí)分析了襯砌的損傷機(jī)制，并將研究結(jié)果與現(xiàn)場襯砌損傷調(diào)查情況進(jìn)行對比。

1 工程背景

洛帶古鎮(zhèn)隧道位于四川省成都市天府新區(qū)，是成洛大道東延線的控制性工程。隧道全長2 920 m，自西向東橫穿龍泉山脈，隧道地處川中天然氣田分布區(qū)，前期勘察階段測得隧道進(jìn)口段瓦斯最大溢出量為0.52 m3/min，判定為高瓦斯隧道[8]。2015年2月24日，洛帶古鎮(zhèn)隧道進(jìn)口段發(fā)生瓦斯爆炸，如圖1(a)所示，爆炸威力巨大，隧道結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重。事故調(diào)查結(jié)果顯示，左洞有1個(gè)爆點(diǎn)(ZK2+810)，如圖1(b)所示； 右洞有2個(gè)爆點(diǎn)(ZK2+300、ZK2+587)，如圖1(c)所示。本文選取洛帶古鎮(zhèn)隧道左洞爆炸受損部分區(qū)域(ZK2+790～ZK2+830)進(jìn)行研究，該區(qū)段二次襯砌結(jié)構(gòu)為厚40 cm的C25素混凝土結(jié)構(gòu)。

(a) 隧道爆炸現(xiàn)場圖

(b) 隧道左洞爆點(diǎn)示意圖

(c) 隧道右洞爆點(diǎn)示意圖圖1 洛帶古鎮(zhèn)隧道爆點(diǎn)位置及爆炸現(xiàn)場情況Fig. 1 Explosion positions and field explosion situation of Luodaiguzhen Tunnel

2 爆炸荷載

瓦斯爆炸事故為突發(fā)不可預(yù)知事件，其本質(zhì)是可燃?xì)怏w的快速燃燒。在隧道這類長徑比較大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工設(shè)備(障礙物)較多的密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)，瓦斯爆炸通常由爆燃轉(zhuǎn)為爆轟狀態(tài)[9]，而且爆炸前隧道內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)、積聚區(qū)位等均難以準(zhǔn)確計(jì)算，因此需尋求一種等效方法量化隧道內(nèi)瓦斯爆炸。當(dāng)前，多數(shù)學(xué)者采用TNT當(dāng)量法[10-14]研究巷道內(nèi)瓦斯爆炸問題[12]和易燃易爆物的爆炸問題[13]，而對隧道內(nèi)瓦斯爆炸問題采用TNT當(dāng)量法進(jìn)行研究的案例鮮有。此外，在LS-DYNA中，TNT材料常用于模擬爆轟現(xiàn)象。

瓦斯是多種氣體的混合物，主要可燃物為甲烷(CH4)，密度為0.716 kg/m3，當(dāng)瓦斯中甲烷含量達(dá)9.5%時(shí)瓦斯爆炸威力最大[9]。本文考慮最不利情況，即甲烷完全燃燒，爆炸威力最大。由式(1)可知甲烷完全燃燒時(shí)放熱量為55.64 MJ/kg。

CH4+2O2→CO2+2H2O+890.3 kJ

。

(1)

TNT當(dāng)量法采用等效爆能原理，將瓦斯爆炸產(chǎn)生的能量(爆熱)轉(zhuǎn)化為一定當(dāng)量的TNT，如式(2)—(3)所示。

Eq=QG/QTNT

；

(2)

MTNT=α·Eq·VG·ρG。

(3)

式(2)—(3)中：Eq為瓦斯的TNT當(dāng)量比；QG為甲烷爆熱，MJ/kg；QTNT為TNT爆熱，一般取為4.5 MJ/kg；α為瓦斯中甲烷含量百分比；VG為甲烷體積，m3；ρG為甲烷密度，kg/m3。

此次爆炸事故發(fā)生在春節(jié)假期期間，其間隧道10 d未通風(fēng)。本文研究區(qū)段在施工期間檢測到實(shí)際瓦斯溢出量為1.08 m3/min，計(jì)算可知隧道內(nèi)已充滿瓦斯氣體，隧道斷面面積為72.34 m2，故隧道內(nèi)積聚瓦斯總體積為2 893.6 m3。由式(2)—(3)可得隧道內(nèi)積聚瓦斯的量化值MTNT為2 428.9 kgTNT。

3 數(shù)值模型及材料參數(shù)

3.1 數(shù)值模型

LS-DYNA中的ALE(arbitrary lagrangian eulerian)建模技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)爆炸沖擊波與隧道襯砌的相互作用。根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)隧道標(biāo)準(zhǔn)橫斷面設(shè)計(jì)圖(見圖2)，構(gòu)建“爆源-空氣-襯砌-圍巖”的流固耦合數(shù)值模型。模型橫斷面如圖3(a)所示，爆心位于隧道中心，距拱頂和底板均為3.6 m。數(shù)值模型尺寸為40.00 m×17.64 m×15.70 m(長×寬×高)，邊界條件設(shè)置為無反射邊界以模擬無限域，如圖3(b)所示。

圖2 隧道橫斷面設(shè)計(jì)圖 (單位： cm)Fig. 2 Design sketch of tunnel cross-section (unit: cm)

(a) 數(shù)值模型橫斷面

(b) 模型邊界條件圖3 數(shù)值模型及邊界條件 (單位： m)Fig. 3 Numerical model and boundary conditions (unit: m)

3.2 空氣參數(shù)

空氣的模型及狀態(tài)方程分別采用LS-DYNA中*MAT_NULL模型和*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL[15]，計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 空氣計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of air

3.3 TNT參數(shù)

TNT的本構(gòu)模型及狀態(tài)方程分別采用LS-DYNA中*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN、*EOS_JWL[15]，計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 TNT計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of TNT

3.4 襯砌參數(shù)

RHT模型能更好地模擬爆炸沖擊荷載作用下混凝土的力學(xué)特性[16-17]。RHT模型由W. Riddel提出,并有一套標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)[18]。RHT模型通過引入圖4(a)中所示的彈性極限面、最大失效面和殘余強(qiáng)度面分別表示混凝土的彈性極限強(qiáng)度、最大失效強(qiáng)度和受損殘余強(qiáng)度，有效呈現(xiàn)了混凝土材料在爆炸沖擊荷載作用下的彈性變形階段、線性強(qiáng)化階段和損傷軟化階段，如圖4(b)所示。

(a) RHT模型3個(gè)極限面

(b) 混凝土“三階段”示意圖圖4 RHT模型示意圖Fig. 4 Sketches of RHT model

RHT模型中的最大失效面方程、彈性極限面方程以及殘余強(qiáng)度面方程如下：

(4)

Felastic·Fcap；

(5)

σresidual=Af×(p*)Nf

。

(6)

洛帶古鎮(zhèn)隧道襯砌結(jié)構(gòu)為C25混凝土，在數(shù)值計(jì)算中襯砌結(jié)構(gòu)的單軸抗壓強(qiáng)度取25 MPa，壓縮應(yīng)變率指數(shù)βc和拉伸應(yīng)變率指數(shù)βt由式(7)、(8)計(jì)算而得[18]，分別為0.042和0.044。

βc=4/(20+3fc)

;

(7)

βt=2/(20+fc)

。

(8)

RHT模型累積損傷定義為：

(9)

(10)

綜上，RHT模型中部分關(guān)鍵參數(shù)修正后如表3所示，其余參數(shù)與原參數(shù)表中一致。

表3 RHT模型的計(jì)算參數(shù)Table 3 Calculation parameters of RHT model

3.5 圍巖參數(shù)

洛帶古鎮(zhèn)隧道圍巖主要為砂巖及中—厚層狀弱風(fēng)化泥巖夾砂巖，圍巖級別為Ⅳ—Ⅴ級。在爆炸作用下，圍巖應(yīng)變率效應(yīng)顯著，LS-DYNA中*MAT_PLASTIC_KINEMATIC適用于描述材料顯著的應(yīng)變率效應(yīng)，該模型經(jīng)證明適用于模擬爆炸荷載下圍巖特性[20]。圍巖計(jì)算參數(shù)如表4所示。

表4 圍巖計(jì)算參數(shù)Table 4 Calculation parameters of surrounding rock

4 數(shù)值模擬結(jié)果

4.1 隧道內(nèi)爆炸沖擊波流場特征

取1/4模型進(jìn)行詳細(xì)說明，如圖5所示。

圖5 1/4模型圖Fig. 5 Quarter numerical model

基于流固耦合模型再現(xiàn)了隧道內(nèi)爆炸沖擊波流傳播過程，如圖6所示。

爆炸前隧道內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，壓強(qiáng)約為0.1 MPa，如圖6(a)所示；

如圖6(b)—6(c)所示，隨著爆炸發(fā)生，爆炸沖擊波以球狀向四周擴(kuò)張，爆心處沖擊波能量最強(qiáng)，壓強(qiáng)高達(dá)226 MPa； 隨著遠(yuǎn)離爆心，沖擊波能量衰減極快，如靠近襯砌時(shí)的波陣面壓強(qiáng)約為4.4 MPa，這是由于沖擊波在擴(kuò)大過程中，單位面積波陣面上的能量迅速減小，表明爆炸沖擊波在自由空氣中傳播時(shí)能量衰減很快。

如圖6(d)—6(e)所示，當(dāng)爆炸沖擊波首先作用于襯砌的拱頂與底板位置時(shí)，入射沖擊波經(jīng)反射形成反射沖擊波，同時(shí)沖擊波強(qiáng)度劇增，達(dá)到44.6 MPa。值得注意的是，曲邊墻腳位置的爆心距最大，但該處的沖擊波強(qiáng)度高達(dá)41.1 MPa，這是由于其“犄角結(jié)構(gòu)”造成沖擊波在此處反射效應(yīng)最強(qiáng)。沖擊波在與襯砌相互作用的過程中，由于隧道結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，在襯砌表面形成的反射波傳播軌跡各不相同，且不斷循環(huán)并沿隧道縱向推進(jìn)。例如，經(jīng)拱頂反射的沖擊波又以入射波作用于隧道底板。

圖6 爆炸沖擊波在隧道內(nèi)傳播特征 (單位： ×102 GPa)Fig. 6 Propagation characteristics of explosive shock wave in tunnel (unit: ×102 GPa)

此外，爆點(diǎn)附近形成一持續(xù)時(shí)間約6 ms的負(fù)壓區(qū)域，如圖6(f)—6(h)所示。形成此現(xiàn)象的原因是： 爆炸過程中TNT與空氣燃燒形成向外膨脹做功的爆炸沖擊波，待空氣燃盡后由于無流體補(bǔ)充，故形成該負(fù)壓區(qū)。隨后經(jīng)隧道襯砌反射的沖擊波逐漸向爆心區(qū)域運(yùn)動并最終匯合，同時(shí)負(fù)壓區(qū)逐漸減小至消失，如圖6(i)所示。沖擊波匯合后繼續(xù)沿各自軌跡運(yùn)動，如圖6(j)—6(l)所示，沖擊波在隧道內(nèi)無限不規(guī)則反射，使得隧道內(nèi)壓強(qiáng)長時(shí)間處于高壓狀態(tài)，加劇了對襯砌結(jié)構(gòu)的破壞。

4.2 隧道沖擊波強(qiáng)度特征

如圖7所示，沿隧道縱向、徑向分別布置若干測點(diǎn)。其中，沿徑向測點(diǎn)為等間距分布，間距為1 m。基于流固耦合數(shù)值模型計(jì)算得到爆炸過程中各測點(diǎn)的超壓時(shí)程曲線如圖8所示，沿隧道縱、徑向測點(diǎn)的超壓峰值曲線如圖9所示。

(a) 縱向測點(diǎn)位置 (b) 徑向測點(diǎn)位置

(a) 縱向測點(diǎn)超壓時(shí)程曲線

(b) 徑向測點(diǎn)超壓時(shí)程曲線圖8 沿隧道縱、徑向測點(diǎn)的超壓時(shí)程曲線Fig. 8 Time-history curves of pressure of monitoring point along longitudinal and radial directions of tunnel

圖9 沿隧道縱、徑向測點(diǎn)超壓峰值曲線Fig. 9 Curves of peak pressure of monitoring points along longitudinal and radial directions of tunnel

由圖8可知： 爆炸發(fā)生后各測點(diǎn)處壓強(qiáng)依次達(dá)到最大超壓峰值，在衰減過程中又出現(xiàn)若干超壓峰值，各測點(diǎn)的超壓時(shí)程曲線表現(xiàn)出不同程度的振蕩； 沿縱向分布測點(diǎn)的時(shí)程曲線較徑向波動幅度更為明顯，這是因?yàn)楸_擊波在沿縱向傳播中反射效應(yīng)更強(qiáng)； 爆炸過程中，在爆心附近區(qū)域形成的負(fù)壓區(qū)如圖8(a)所示； 沿隧道徑向測點(diǎn)中，靠近曲邊墻腳處的4#、5#、6#測點(diǎn)反射波的強(qiáng)度要高于入射波強(qiáng)度，位于曲邊墻腳處的6#測點(diǎn)最為明顯，如圖8(b)所示。

從圖9可清楚觀測到爆炸沖擊波強(qiáng)度并不隨遠(yuǎn)離爆心而表現(xiàn)為衰減趨勢。在靠近襯砌時(shí)沖擊波強(qiáng)度明顯增大，由于沖擊波的多次反射，隧道內(nèi)壓強(qiáng)始終處于高壓狀態(tài)。這也從側(cè)面解釋了隧道內(nèi)爆炸事故的巨大威力及所造成的嚴(yán)重后果。

4.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式對比

前人基于坑道內(nèi)的試驗(yàn)研究，通過擬合實(shí)測數(shù)據(jù)得到隧道內(nèi)爆炸沖擊波強(qiáng)度的預(yù)測公式(與比例距離相關(guān))，如式(11)—(12)所示[1，21]。本節(jié)將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)預(yù)測公式進(jìn)行對比，結(jié)果如圖10所示。

(11)

(12)

(13)

式(11)—(13)中： Δpm為爆炸沖擊波超壓峰值(波陣面壓強(qiáng)減去標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，MPa；Z為比例爆炸距離，m/kg1/3；R為測點(diǎn)到爆心距離，m；W為TNT質(zhì)量，kg。

由圖10可知： 兩經(jīng)驗(yàn)公式均無法有效反映沖擊波的反射效應(yīng)，且都存在約束條件，主要體現(xiàn)在比例爆炸距離上，式(11)中0.656 m/kg1/3≤Z≤10.5 m/kg1/3和式(12)中Z>1 m/kg1/3，表明其無法對大當(dāng)量爆炸即劇烈爆炸作用下爆心附近區(qū)域的沖擊波強(qiáng)度進(jìn)行有效預(yù)測與研究； 隨著遠(yuǎn)離爆心，數(shù)值計(jì)算結(jié)果逐漸與經(jīng)驗(yàn)公式吻合，但仍有不同，主要表現(xiàn)為經(jīng)驗(yàn)公式一直呈衰減趨勢，而數(shù)值計(jì)算得到的隧道內(nèi)壓強(qiáng)一直處于高壓狀態(tài)，如圖中1 m/kg1/3≤Z≤1.4 m/kg1/3段。

圖10 p-Z曲線結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果對比Fig. 10 Comparison between calculation results of p-Z curves of numerical simulation and empirical formula results

隧道為近似封閉的空間，隧道內(nèi)爆炸沖擊波流場較為復(fù)雜，作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的爆炸荷載也較難以用特定規(guī)律表征。而基于流固耦合效應(yīng)的數(shù)值模型由于考慮了沖擊波與襯砌之間的相互作用，可以較真實(shí)地再現(xiàn)隧道內(nèi)沖進(jìn)波流場及強(qiáng)度的變化特征。

4.4 隧道襯砌結(jié)構(gòu)損傷特征

基于流固耦合模型數(shù)值模擬得到的隧道襯砌損傷特征如圖11(a)—11(e)所示?？芍?襯砌拱部、曲邊墻腳及底板中部先產(chǎn)生密集損傷裂縫，部分裂縫迅速貫穿形成局部破壞區(qū)，隨后破壞區(qū)域、損傷裂縫分別自拱頂向兩側(cè)拱腰、自底板中心向兩側(cè)擴(kuò)張至貫通，且同時(shí)沿隧道縱向發(fā)展，襯砌出現(xiàn)完全破壞區(qū)、嚴(yán)重破壞區(qū)及一般損傷區(qū)； 應(yīng)力波自隧道底板傳播至排水槽時(shí)，經(jīng)反射由壓縮變?yōu)槔?，排水槽上部結(jié)構(gòu)發(fā)生受拉破壞，隧道爆心附近的襯砌已完全破壞； 隧道曲邊墻腳處已完全破壞，這與該處沖擊波強(qiáng)度較高有直接關(guān)系。隨著遠(yuǎn)離爆心，襯砌主要受損特征表現(xiàn)為遍布襯砌的損傷裂縫，主要以縱向裂縫為主，局部存在環(huán)向裂縫。通過與現(xiàn)場損傷調(diào)查情況(見圖12)對比可知，襯砌損傷特征的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場情況基本一致，表明本文采用的研究方法適用于隧道內(nèi)爆炸問題的研究。

4.5 隧道襯砌結(jié)構(gòu)損傷機(jī)制

如圖13所示，沿襯砌布設(shè)測點(diǎn)。每個(gè)斷面布設(shè)9個(gè)測點(diǎn)，襯砌拱部沿隧道縱向共布設(shè)16個(gè)斷面，監(jiān)測點(diǎn)涵蓋了襯砌拱部、曲邊墻及隧道底板。提取各測點(diǎn)處最大、最小主應(yīng)力峰值，根據(jù)LS-DYNA中“拉”正、“壓”負(fù)原則，就襯砌損傷機(jī)制進(jìn)行分析。

(a) 3.5 ms (b) 7.5 ms

(c) 10 ms (d) 20 ms

(e) 數(shù)值模擬結(jié)果圖11 隧道襯砌結(jié)構(gòu)損傷特征數(shù)值模擬Fig. 11 Numerical simulation models of lining damage characteristics

(a) 整體損傷特征

(b) 局部損傷特征圖12 隧道損傷特征現(xiàn)場調(diào)查Fig. 12 Site surveying results of tunnel lining damage

(a) 橫斷面 (b) 縱斷面

圖13襯砌上測點(diǎn)分布
Fig. 13 Layout of monitoring points on lining

襯砌上主應(yīng)力峰值曲線如圖14所示。由圖14可知： 作用于襯砌上拉應(yīng)力峰值較高，約5 MPa，曲線的變化趨勢較為平穩(wěn)； 而壓應(yīng)力變化較大，介于13.4～99.8 MPa，主要與爆心距相關(guān)，爆心距5 m內(nèi)襯砌受到壓應(yīng)力最大，此后隨著遠(yuǎn)離爆心，壓應(yīng)力曲線逐漸趨于平穩(wěn)。

圖14 襯砌上主應(yīng)力峰值曲線Fig. 14 Curves of peak principal stress of monitoring points on lining

結(jié)合圖6、11及14，可知襯砌在爆炸沖擊荷載下的受損機(jī)制為： 1)爆心距5 m范圍內(nèi)，襯砌在爆炸沖擊波劇烈的沖壓作用下形成局部破壞區(qū)，之后在沖擊波拉、壓交替作用下破壞區(qū)發(fā)展、貫通，直至形成完全破壞區(qū)； 2)由于爆炸沖擊波在傳播中能量逐漸衰減，作用于襯砌的壓應(yīng)力減小，但拉應(yīng)力仍較高，襯砌上密集的損傷裂縫在較高壓應(yīng)力與拉應(yīng)力共同作用下發(fā)展、擴(kuò)張，致使爆心距5～10 m襯砌被切割成塊狀結(jié)構(gòu)，喪失整體穩(wěn)定性，形成嚴(yán)重受損區(qū)； 3)爆心距大于10 m的襯砌主要在較高拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生遍布襯砌的損傷裂縫，以縱向裂縫為主，局部有環(huán)向裂縫，形成一般損傷區(qū)。

5 結(jié)論與討論

1)爆炸沖擊波在隧道內(nèi)傳播經(jīng)歷了自由傳播、規(guī)則反射及無規(guī)則反射傳播狀態(tài)。爆炸過程中爆心附近區(qū)域會出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)域，隨沖擊波傳播會逐漸消失。沖擊波在曲邊墻腳處的反射最為劇烈，導(dǎo)致該處發(fā)生完全破壞，與其“犄角”結(jié)構(gòu)相關(guān)。

2)由測點(diǎn)的超壓時(shí)程曲線可知，沿隧道縱向沖擊波反射作用更強(qiáng)。由沖擊波強(qiáng)度峰值曲線可知，隧道內(nèi)沖擊波強(qiáng)度并無特定的衰減規(guī)律，靠近襯砌處，沖擊波強(qiáng)度經(jīng)反射后劇增，導(dǎo)致隧道內(nèi)沖擊波流場較為復(fù)雜，持續(xù)為高壓狀態(tài)。

3)相比較經(jīng)驗(yàn)公式，流固耦合數(shù)值模型可有效反映沖擊波的反射效應(yīng)，且可對爆心附近區(qū)域的沖擊波強(qiáng)度特征進(jìn)行有效預(yù)測。

4)在劇烈爆炸作用下，爆心距5 m范圍內(nèi)的襯砌在沖擊波沖壓作用下發(fā)展形成完全破壞區(qū)； 爆心距5～10 m的襯砌在較高拉、壓應(yīng)力共同作用下形成嚴(yán)重破壞區(qū)； 爆心距大于10 m的襯砌在較高拉應(yīng)力下形成一般損傷區(qū)。排水槽上方的隧道底板在沖擊波的拉伸作用下發(fā)生受拉破壞。經(jīng)對比，隧道襯砌損傷特征的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場損傷調(diào)查基本一致，驗(yàn)證了本文研究結(jié)果的可靠性，同時(shí)也佐證了本文建立的流固耦合數(shù)值模型可用于分析大型地下結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸動力響應(yīng)問題。

本文研究還存在一些不足，仍有一些問題需要進(jìn)一步探索，具體為：

1) 由于模型尺寸大，在協(xié)調(diào)好計(jì)算成本及誤差控制下，單元網(wǎng)格尺寸還需進(jìn)一步優(yōu)化。

2) 由于瓦斯在隧道各部位積聚的不確定性，爆心位置或有多種可能。

3) 襯砌在實(shí)際施工中受到擾動存在一定的缺陷，后續(xù)研究中需考慮襯砌強(qiáng)度的折減。